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Elektrisches Stromleiterbahnensystem für Solargenerato-
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ren von Raumflugkörpern Die Erfindung betrifft ein elektrisches Stromleiterbahnensystem
für flexible, falt- oder aufrollbare Solargeneratoren von Raumflugkörpern, die aus
mehreren modularen Trägerfoliensektionen bestehen.
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Die zur Zeit bei Satelliten, wie denen der Intelsat V-Reihe verwendeten
Solargeneratoren bestehen aus leichten, starren, gelenkig miteinander verbundenen
Strukturplatten als Solarzellenträger, die in der Um-2 laufbahn zu Flächen bis zu
30 m aufgeklappt werden.
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Bei diesen Strukturplatten werden für die Stromleitersysteme Litzen
und Flachkabelbänder mit verdrehbaren Flachkabelspiralen oder großradigen Schlaufen
als Verbindungsglieder verwendet und aufgeschraubt bzw. verklebt.
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Die nächste Generation von Solargeneratoren wird als wesentlich größere
und noch erheblich leichtere Trägerstruktur konzipiert, die vorzugsweise nur noch
aus flexiblen harmonikaartig gefalteten Foliensubstraten bestehen und in der Umlaufbahn
durch teleskopartige Mechanismen zu Flächen von 100 m und mehr aufgespannt werden.
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Da diese neuen Folienflächen mit sehr geringem Abstand von ca. nur
2 mm aufeinandergefaltet werden müssen um geringen Stauraum zu erreichen, sind die
bisher bewährten, auf der Rückseite der Solargeneratoren aufgebrachten Flachleiterkabel
mit Steckern wegen ihrer Biegewiderstandsmomente und viel zu großen erforderlichen
Biegeradien für diesen neuen Solargeneratortyp nicht verwendbar.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein elektrisches Stromleiterbahnsystem
der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem die einzelnen großflächigen modularen
Folienstruktursektionen ausgerüstet werden können und welches geeignet ist, die
einzelnen Sektionen untereinander auf einfache und für die Weltraumfahrt qualifizierte
Weise zu verbinden. Das elektrische Stromleiterbahnsystem soll ganz allgemein den
hohen Anforderungen in der Raumfahrt genügen, als da sind hohe thermische Wechselbeanspruchungen
resultierend aus Sonne und Erdschatten sowie höchste Zuverlässigkeitsanforderungen
über die gesamte Missionsdauer.
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Daneben sollen die elektrischen Verbindungselemente so gestaltet sein,
daß diese jederzeit frei von Zugbeanspruchungen bleiben. Außerdem galt es das Problem
zu lösen, zwecks Austausch und Reparatur von ganzen Solargeneratorsektionen mehrmals
zerstörungsfreies Lösen und Wiederverbinden zu ermöglichen.
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Diese Aufgabe ist dadurch gelöst, daß a) die Stromleiterbahnen auf
kupferkaschierten Trägerfoliensektionen extrem dünnschichtig integriert im Fotoresist-Ätzverfahren
ausgebildet und b) die Stromleiterbahnen an Sektions-Leiterbahnenübergängen
der
Trägerfoliensektionen nach Art eines Klavierbandscharniers ausgebildet sind, wobei
die jeweils überstehenden Enden auf Schweißzonen der nächsten Trägerfoliensektionen
treffen und dort verschweißt werden.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Von besonderem Vorteil ist neben dem geringen Gewicht des Stromleiterbahnensystems
auch dessen große Widerstandsfähigkeit gegen schockartige mechanische Belastungen
beim Start und ausreichende Formsteifigkeit und Ermüdungsresistenz gegenüber den
Spankräften bei der Entfaltung und der Flächenverspannung. Die Herstellung des Leiterbahnensystems
im Fotoresist-Atzverfahren ist wesentlich kostengünstiger als die bisher vorgenommene
individuelle Vollverdrahtung mittels Litzen oder Flachkabeln. Außerdem entfallen
an den Verbindungsstellen der Sektionen die bisher erforderliche Vielzahl von Trennbahnsteckern
mit hohem Platzbedarf und dem hohen Zusatzgewicht dieser Konstruktionen. Die für
die neuen Solargeneratoren vorgesehene wesentliche Flächenvergrößerung um den Faktor
drei und mehr gegenüber bisherigen Konstruktionen würde das Problem der Stecker
mit Platzbedarf und Gewicht der bisherigen Litzen oder Flachkabeln expontiell erhöhen.
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Die Erfindung ist anhand der Figuren näher dargestellt.
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Diese zeigen Fig. 1 eine Übersichtszeichnung der Rückseite eines flexiblen
faltbaren Solargenerators, Fig. 9a, b, c, d Beispiele für Stromleiterbahnenübergänge,
(trenn- und wiederverbindbar)
Fig. 3 eine weitere Ausführungsform
(nicht trennbar).
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In der Fig. 1 ist ein flexibler faltbarer Solargenerator mit seiner
Rückseite dargestellt. Der Solargenerator ist aus sieben SPAs (Solar Panel Assembly)
SPA1 bis SPA7 zusammengesetzt. Jede dieser SPA - im folgenden mit Trägerfoliensektion
bezeichnet - ist an den vertikalen Sektionsverbindungs-Trennlinien - Gelenkachse
2 - wechselseitig mit einer Vielzahl klavierbandartiger dünner Gelenkhülsen 3, siehe
auch Fig. 2 versehen, die je aus einer zur Vorderseite umgefalzten Trägerfolienlasche
4 und einem in die Gelenkachse 2 eingesetzten Röhrchen 5 z.B. aus Aluminium oder
anderen Werkstoffen gebildet werden. Die umgefalzten Trägerfolienlaschen 4 und die
Röhrchen 5 sind mit der Trägerfolie 1 fest verklebt (punktierte Fläche in Fig. 2).
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Die Gelenkhülsen 3 sind gemäß Fig. 2 an der einen Sektion in einer
gewählten Einteilung mit dazwischenliegenden überstehenden Folienlaschen 6 angeordnet,
während sie bei der Nachbarsektion um eine Teilungslänge versetzt ausgebildet sind.
Dadurch können sie beim Zusammenbau der Sektion genau ineinander greifen und durch
eine dünne Steckachse 7 verbunden werden. Alle Sektionen haben außenseitig die Einteilung
der Gelenkhülsen 3 gemäß der Fig. 9a und innenseitig die dazu um eine Teilung versetzte
Einteilung gemäß Fig. 2b. Somit können alle Sektionen in gleicher Weise zusammengesetzt
und erforderlichenfalls Frsatzsektionen eingefügt werden.
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Das Ausgangsmaterial für die Trägerfolien 1 ist Polyimidfoiie (karton)
mit einseitiger, erforderlichenfalls auch doppelseitiger Kupferkaschierung. Je nach
Ausführunb ist vorgesehen, die Trägerfoliensektionen ganzflächig oder nur im Sektionsverbindungsbereich
auf der Oberseite mit sehr dünnen Glasfaserlarninaten oder Frepregs
(nicht
dargestellt) zu beschichten, um die Flächenebenheit nach dem Ätzvorgang zu verbessern,
die Einreißfestigkeit und Belastbarkeit an den verklebten Gelenkhülsen 3 und damit
insgesamt die bei der Entfaltung aufzubringenden zulässigen Flächenverspannungskräfte
zu er-höhen, und schließlich die Unempfindlichkeit gegenüber allen auftretenden
mechanischen Belastungen zu optimieren. Durch diese dünne Glasfaserbeschichtung
auf der Oberseite wird die Flexibilität und Faltbarkeit des Folienverbundes an den
zwischen den Trennlinien 2 liegenden Faltlinien 8 des Solargenerators, Fig. 1, auch
bei kleinen Faltradien bis unter 1 mm nicht beeinträchtigt.
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Die Rückseite des Solargenerators 1 weist ein aus der Kupferkaschierung
im Fotoresist-Ätzverfahren ausgebildeter elektrisches Stromleiterbahnensystem auf,
siehe Fig.
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1. Der mittlere Strang ist speziell für Signalleiter vorgesehen. Ausgehend
von der äußersten Sektion SPA1 werden die einzelnen Stromleiterbahnen 10 für den
aus den Solarzellen gewonnenen elektrischen Strom so weit wie möglich innen über
die gesamte Länge des Solange nerators zu Anschlußsteckern am Satelliten geführt.
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Die Stromleiterbahnen der nächsten Sektion verlaufen nach der Zuführung
zur Mitte ab dieser eng neben denen der 1. Sektion usw., so daß sich insgesamt eine
tannenbaumartige nach innen zunehmende Belegung der Rückseite mit ausgeätzten Leiterbahnen
ergibt. Sämtliche Stromleiterbahnen 10 beginnen an den + bzw. -Anschlußstellen 11
der Solarzellenmodule 12. Sie alle werden über die Faltlinien 8 mit Faltenleiterbahnenübergängen
13 (siehe Fig. 3) und über die Gelenkachsen 2 an den Sektionsenden mit Sektionsleiterbahnenübergängen
14, siehe Fig.
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2a-d geführt. Dabei sind die einzelnen f bzw. -Leiterbahnen
aus
Redundanzgründen als Doppelleiter ausgebildet. Je eine doppelter + und ein doppelter
-Leiter wird als Stromleiterpaar 15 bezeichnet. Die ganz außen an den Langseiten
des Solargenerators entlang geführten Ersatzstromleiterpaare 16 sind für den Anschluß
einer Austauschsektion an jeder belIebigen Sektionsposition vorgesehen.
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Nach der Herstellung des elektrischen Stromleiterbahnensystems 9 im
Ätzverfahren wird zum Zweck der Isolation auf der Rückseite aller Trägerfoliensektionen
SPA1-7 eine dünne Polyimidfolie verpreßt aufgeklebt, die nur an solchen Stellen
die Kupferleiter frei läßt, die später beim Verschweißen mit angrenzenden Leiterbahnenenden
verbunden werden müssen.
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Die Stromleiterbahnen 10 sind an den Faltenleiterübergängen 13 (Fig.
3) durch einen Mittelsteg 17 verbunden. Dieser verbreiterte Leiterbahnenübergangsbereich
an den Faltlinien 8, ist durch mehrere bereits ausgeätzte Schlitze 18 wieder in
mehrere Leiterübergänge 19 unterteilt, um im Falle eines Leitereinrisses in dieser
Faltstelle zu vermeiden, daß dieser sich weiter fortsetzen kann.
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Die Übergänge an den Gelenkachsen 2 der Sektionsverbindungs-Trennstellen
(Fig. 2a-d) sind folgendermaßen gestaltet:
Die doppelten Stromleiterbahnen
10 jedes Leiterbahnenpaares 15 münden vor der Gelenkachse 2 der Trägerfoliensektionen
SPA1-7 in eine verbreiterte Anschlußfläche 20, die annähernd die Breite von zwei
Gelenkhülsen 3 einnimmt und vor der Kante der verklebten Trägerfolienlasche 4 endet.
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An diese Anschlußflächen 20 angrenzend sind mehrere durch ausgeätzte
Schlitze 18 getrennte Leiterbahnenfortsetzungen 21 bis zur Endkante der überstehenden
Trägerfolienlaschen 6 geführt, die nur bis zur strichpunktierten Linie 22 auf der
Vorderseite mit dem dünnen Glasfasergewebe verstärkt und ebenfalls bis zu dieser
Linie rückseitig mit Isolierfolie bedeckt sind. In diese Laschen 6 sind von der
Vorderseite Fenster 23 (gestrichelt und schraffiert gezeichnet) in die Polyimidfolie
im Ätzverfahren oder mittels Laserabtragverfahren ausgebildet, so daß an diesen
Fensterflächen 23 von der Trägerfolienseite die Kupferleiter lokal metallisch blank
freigelegt sind.
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Auf Schweißzonen 24 (schraffierte Flächen) der verbreiterten Anschlußflächen
20 wird im galvanischen Additionsverfahren die Dicke des aufkaschierten Kupfers
von der Leiterbahndicke bis zum Mehrfachen erhöht. In gleicher Weise wird in den
ausgeätzten Schweißfenstern 23 (Polyimidfolienfenster) der überstehenden Trägerfolienlaschen
6 die Leiterbahnenkupferschicht bis zum erforderlichen Maß aufgedickt.
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Diese lokalen Kupferaufdickungen haben den Zweck, für die dort vorgesehenen
Verschweißungen günstigere, d.h. weniger extreme Schichtdickenverhältnisse zu schaffen,
so daß die Schweißparameter in einem
größeren Toleranzbereich variieren
können und damit Fehlschweißungen vermieden werden.
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Beim Zusammenbau der Trägerfoliensektionen SPA1-7 werden diese mit
der Rückseite auf dem Montagetisch nach oben liegend so zusammengeschoben, daß die
wechselseitigen Gelenkhülsen 3 ineinandergreifen und fluchten. Dabei müssen alle
überstehenden Trägerfolienlaschen 6 überlappend über die gegenüberliegenden Gelenkhülsen
3 auf die Oberseite (= Rückseite) der Sektionen geführt werden, siehe auch Fig.
2d. Nach Einfädelung der dünnen Steckachsen 7 in die Bohrungen der eingeklebten
Röhrchen 5 sind die Sektionen mechanisch verbunden. Danach erfolgt die Verschweißung
der überlappenden Leiterbahnenfortsetzungen 21 durch die ausgeätzten Schweißfenster
23 nahe an deren Auenkante mit den im Kupfer verdickten Schweißzonen 2 durch mehrere
Schweißpunkte 25 bzw. kurze Schweißlinien. Dabei werden an der Gelenkachse 2 zwischen
die überlappenden, überstehenden Trägerfolienlaschen 6 und die darunter liegenden
Gelenkhülsen 3 schmale halbrunde Einlageleisten aus Kunststoff zwischengelegt. Diese
sind flexibel und in ihrer Dicke so abgestimmt, daß sie die überlappenden Trägerfolienlaschen
6 nicht flach aufliegen lassen sondern über der Gelenkachse 2 leichte Dehnungswellen
26 ausbilden, die die Außenkanten der Laschen zur Achsmitte zurückverlegen.
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Diese Dehnungswellen 2Ö, siehe Fig. 2c werden so dimensioniert, daß
die Trägerfolienlaschen 6 im zusammengalteten Zustand sich noch mit ausreichendem
Spiel um die innen liege£lelen Gelenkhülsen 3 schmiegen, so daß die Schweißpunkte
25 auch in der gefalteten Stellung keine Zugbeansprucilunggen erfihren.
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In der Entfaltstellung bilden sich die Dehnungswellen 26 wieder aus
und verhindern, daß die über die Klavierband-Scharniere aufgenommenen Spannkräfte
der Flächenverspannung auf die Schweißverbindungen 25 negativ einwirken können.
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Die Verschweißung wird vorzugsweise im Laser - Pulsverfahren durchgeführt,
da bei der an Solargeneratoren vorgesehenen, fast randbündigen Flächenausnutzung
die unter den Schweißzonen 24 verklebten druckempfindlichen Solarzellenmodule 12
nicht durch Elektrodendruck beschädigt werden dürfen. Bei Ausführungen, bei denen
die Schweißzonen 24 der Stromleiterbahnen 10 vorderseitig nicht mit Solarzellen
belegt sind, ist auch das Widerstandsschweißen mit von oben zugeführter Doppelelektrode
anwendbar. Verlötung der Verbindungsstellen ist grundsätzlich auch möglich, in der
Raumfahrt an Solargeneratoren aber nicht bevorzugt.
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Die Darstellung in Fig. 2d zeigt eine Reihe der Schweißpunkte 25 am
äußeren Ende der überlappenden Leiterbahnenfortsetzungen 21 als Erstverbindung.
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Wenn es erforderlich wird, eine Sektion im schon integrierten Solargenerator
auszuwechseln, so können die Trägerfolienlaschen 6 von den darunter liegenden Schweißzonen
24 der benachbarten Trägerfoliensektion SPA1-7 neben den ersten Reihen der Schweißpunkte
25 an der punktiert dargestellten Trennlinie 27 mittels eines Spezialskalpells abgetrennt
werden. Nach dem Wiederzusainmenbau der Sektionen an der Austauschstelle kann die
Schweißverbindung durch eine neue Schweißpunktreihe 28 neben der
Trennlinie
27 in oben beschriebener Weise erfolgen.
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Bei dieser Verbindungsmethode sind also mehrere Reparaturen und Verschweißungen
möglich. Nach Abschluß der Verschweißungen und deren Kontrolle werden die freiliegenden
Kupferflächen der Schweißstellen alle mittels dünner selbstklebender Kaptonfolienstreifen
(nicht dargestellt) abgeklebt und isoliert. Diese Isolierfolienstreifen lassen sich
im Bedarfsfall wieder zerstörungsfrei ablösen, um erforderliche Reparaturen durchzuführen.
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In der beschriebenen Weise werden alle elektrischen Stromleiterbahnen
10 an allen Sektionen in der Endphase der Integration so verbunden, daß die Schweißungen
durch die Dehnungswellen 26 geschützt in jedem Stadium wie Handling, Falttests und
Verpackung frei von Zugspannungen bleiben. Die Sammelleiter der oberseitigen Solarzellenmodule
12 werden in gleicher Weise durch ausgeätzte Fenster 23 in der Trägerfolie 1 an
den + bzw. -Anschlußstellen 11 direkt mit den zugehörigen Stromleiterbahnen 10 verschweißt.
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